Контрольные вопросы

1. Какие процессы называют явлениями переноса?

2. Объяснить механизм возникновения вязкости ( сил внутреннего трения) из молекулярно– кинетической теории.

3. Дать определение вязкости.

4. В каких единицах измеряется вязкость в системе ?

5. Какие силы действуют на шарик при его движении в жидкости, и какова природа этих сил?

6. В чем суть метода Стокса?

Лабораторная работа 3 Определение коэффициента теплопроводности калориметрическим методом

Цел работы:определить коэффициент тепловодности металла.

Приборы и принадлежности: два калоритметрических сосуда соединенных друг с другом испытательным стержнем закрытым с наружной стороны асбестом. Термометры и электроплитка.

Теоретическое введение

Теплопроводность, обусловлена переносом энергии, является одним из трех существующих в природе явлений переноса. Теплопроводностью обладают все вещества: газы, жидкости и твердые тела. В твердых телах в отличии от газов и жидкостей невозможна конвекция, поэтому перенос тепла осуществляется только теплопроводностью.

Теплота в твердых телах передается колебаниями кристаллической решеткой. Если при данной температуре один из узлов решетки колеблется с амплитудой, то он будучи связан со своими соседями, будет действовать на них, вызывая увелечение амплитуды колебаний этих соседних частиц. Таким образом энергия тепловых колебаний передается от одного узла решетки к другому посредством установления волнового процесса.

В металлах в отличии от диэлектриков перенос теплоты осуществляется не только кристаллической решеткой, но и свободными электронами. Поэтому теплопроводность металлов в общем случае складывается из теплопроводности решеткии теплопроводности, обусловленой свободными электронами:. Металлы отличается хорошей теплопроводностью, которая осуществляется в основном за счет переноса энергии свободными электронами т.е.и поэтому.

Теплопроводность имеет место тогда, когда концы металлического стержня поддерживаются при разных температурах. При этом в стержне возникает непрерывный поток теплоты. Каждый узел (ион) колеблется с меньшей амплитудой, чем соседний с ним со стороны более нагретого конца, и с большей амплитудой, чем соседней с ним со стороны менее нагретого конца, и с большей амплитудой.

Количественно тепловой поток через поперечное сечение стержняпри градиенте температурыможно рассчитать по известной формуле Фурье:

(1)

Коэффициент пропорциональности в этой формуле есть коэффициент теплопроводности. Он численно равняется количеству тепла, прошедшего через единицу площади за единицу времени при градиенте температуры, равному единице (площадкаперпендикулярна оси).– градиент температуры, равный скорости изменения температуры на единицу длины в направлении нормали к площадке. Знак минус в формуле (1) показывает, что энергия переносится в сторону убывания температуры. В связи с чем знакии, противоположны. В системекоэффициент теплопроводности измеряетсяили в ваттах на метр кельвин). Экспериментальную формулу теплового потока (1) можно вычислить из молекулярно- кинетической теории. По этой теории свободные электроны в метталлах рассматриваются как электронный газ, частицы которого обладают тремя степенями свободы, т.е. ведут себя как одноатомный газ, и их движение подчиняется всем законам идеального газа. Если температура ( металла) газав разных местах различна, то и средняя энергия электрона также будет различной. Перемещаясь вследствии теплового движения из одних мест в другие, электроны переносят запасенную ими энергию, что и обуславливает процесс теплопроводности.

Формула теплового потока полученная из молекулярно- кинетической теории полностью совпадает с уравнением (1). При этом получается выражение для коэффициента теплопроводности металлов:

(2)

Здесь – плотность газа,– средняя скорость теплового движения электрона,- средняя длина свободного пробега электрона,- удельная теплоемкость электронного газа постоянном объеме.